C++23 std::expected：一种新的词汇表类型，用于返回函数的结果

引言

在C++编程中，错误处理一直是一个重要且具有挑战性的任务。传统的错误处理方法，如返回码和异常，虽然在一定程度上能够解决问题，但也存在各自的局限性。例如，返回码可能会导致代码的可读性和可维护性降低，而异常则可能带来性能开销和资源管理的问题。为了解决这些问题，C++23引入了std::expected这一全新的词汇表类型，它为函数返回结果的处理提供了一种更加优雅、类型安全的解决方案。

基本概念

std::expected是C++23标准库中的一个模板类，定义于头文件<expected>中。它提供了一种方式来表示两个值之一：类型T的期望值，或类型E的非期望值。std::expected永远不会是无值的。

模板定义

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template< class T, class E >
class expected;

template< class T, class E >
requires std::is_void_v<T>
class expected<T, E>;

主模板：在其自身的存储空间内包含期望值或非期望值，该存储空间嵌套在expected对象内。
void部分特化：表示期望的void值或包含非期望值。如果它包含非期望值，则它嵌套在expected对象内。

模板参数

T：期望值的类型。该类型必须是（可能带有cv限定的）void，或者满足Destructible要求（特别是，不允许数组和引用类型）。
E：非期望值的类型。该类型必须满足Destructible要求，并且必须是std::unexpected的有效模板实参（特别是，不允许数组、非对象类型和cv限定类型）。

特点

类型安全的错误处理

std::expected通过清晰地区分成功结果和错误状态来强制实现类型安全，降低了运行时错误的风险。在传统的错误处理方式中，错误码和返回值可能会混淆，导致处理不一致。而std::expected明确地将成功值和错误值封装在一个对象中，使得在编译时就能检查类型的正确性。

增强代码可读性

借助std::expected，错误处理的意图在代码中得以明确体现，使其更易于理解和维护。开发者可以直观地从函数的返回类型中看出该函数可能会出现的错误情况，而不需要深入到函数内部去查看错误处理逻辑。

性能提升

与可能产生显著开销的异常不同，std::expected提供了一种更轻量级的替代方案，适用于对性能敏感的应用程序。异常处理机制在抛出和捕获异常时会涉及栈展开等操作，这会带来一定的性能损失。而std::expected只是一个普通的对象，其创建和销毁的开销相对较小。

更高的灵活性

std::expected能够与现有代码库无缝集成，为逐步实现错误处理的现代化提供了一条途径，无需完全重写代码。开发者可以逐步将现有的错误处理代码替换为使用std::expected的方式，而不会对整个代码库造成太大的影响。

使用场景

函数返回值

std::expected特别适合作为函数的返回值类型，用于表示函数执行的结果可能是成功的返回值，也可能是错误信息。例如，在文件操作、网络请求等可能会失败的操作中，可以使用std::expected来返回操作结果。

链式调用

通过std::expected提供的单子操作（如and_then、or_else等），可以实现链式调用，使得代码更加简洁和清晰。在一系列的操作中，如果其中一个操作失败，后续的操作将不再执行，而是直接返回错误信息。

示例代码

基本使用示例

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#include <iostream>
#include <string>
#include <expected>

// 定义一个可能返回int或字符串错误的expected类型
std::expected<int, std::string> parse_number(const std::string& input) {
    try {
        return std::stoi(input);
    } catch (...) {
        return std::unexpected("Invalid number format");
    }
}

int main() {
    auto result = parse_number("123");
    if (result.has_value()) {
        std::cout << "Value: " << *result << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Error: " << result.error() << std::endl;
    }

    result = parse_number("abc");
    if (result.has_value()) {
        std::cout << "Value: " << *result << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Error: " << result.error() << std::endl;
    }

    return 0;
}

在这个示例中，parse_number函数尝试将输入的字符串转换为整数。如果转换成功，则返回一个包含整数值的std::expected对象；如果转换失败，则返回一个包含错误信息的std::expected对象。在main函数中，通过has_value()方法检查std::expected对象是否包含期望值，并根据结果进行相应的处理。

与传统错误处理方法的比较

与返回码的比较

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// 使用std::expected
std::expected<double, std::string> divide_expected(double numerator, double denominator) {
    if (denominator == 0.0) {
        return std::unexpected("Error: Division by zero");
    }
    return numerator / denominator;
}

// 使用返回码
bool divide_return_code(double numerator, double denominator, double& result, std::string& error) {
    if (denominator == 0.0) {
        error = "Error: Division by zero";
        return false;
    }
    result = numerator / denominator;
    return true;
}

使用返回码的方式需要额外的参数来传递错误信息，并且缺乏类型安全。而std::expected将结果和错误信息封装在一个对象中，使得代码更加简洁和安全。

与异常的比较

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// 使用std::expected
std::expected<double, std::string> divide_expected(double numerator, double denominator) {
    if (denominator == 0.0) {
        return std::unexpected("Error: Division by zero");
    }
    return numerator / denominator;
}

// 使用异常
double divide_exception(double numerator, double denominator) {
    if (denominator == 0.0) {
        throw std::runtime_error("Error: Division by zero");
    }
    return numerator / denominator;
}

异常处理机制可能会导致未处理的异常，从而导致程序崩溃或不可预测的行为。而std::expected通过强制进行错误处理，确保了代码的稳定性和可靠性。同时，std::expected的性能开销相对较小，更适合对性能要求较高的应用程序。

总结

C++23引入的std::expected为函数返回结果的处理提供了一种更加优雅、类型安全的解决方案。它解决了传统错误处理方法的一些痛点，如类型安全问题、代码可读性问题和性能开销问题等。通过使用std::expected，开发者可以编写出更加健壮、可维护的代码。在实际开发中，建议开发者积极采用std::expected来处理函数的返回结果，特别是在对性能和代码质量有较高要求的场景中。

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C++23 std::expected：一种新的词汇表类型，用于返回函数的结果